Pompe di calore: guida al calcolo delle prestazioni

Quando devono calcolare le prestazioni di una pompa di calore, il problema principale che i tecnici si trovano ad affrontare riguarda il reperimento di alcuni dati prestazionali che i software commerciali, e quindi di conseguenza la normativa stessa, richiedono di inserire per poter eseguire il calcolo. 

Ancora più che per le caldaie a condensazione, l’inserimento dei dati relativi alle pompe di calore nei software commerciali dipende fortemente dalle informazioni presenti nella scheda tecnica fornita dai produttori. 

La norma di riferimento

La norma di riferimento per il calcolo delle prestazioni delle pompe di calore in riscaldamento è la UNI/TS 11300-4 del 2016 che tratta il calcolo delle prestazioni dei soli sottosistemi di generazione che forniscono energia termica e/o elettrica utile da energie rinnovabili o con metodi di generazione diversi dalla combustione a fiamma di combustibili fossili, ovvero impianti solari termici, generatori a combustione alimentati a biomasse, pompe di calore, impianti fotovoltaici, cogeneratori e teleriscaldamento.

Il calcolo delle prestazioni delle pompe di calore in raffrescamento si basa sulla UNI/TS 11300-3:2010. Impostata, nella prima sezione del software relativa ai dati tecnici, la tipologia di pompa, specificandone la sorgente esterna e il fluido che viene trattato all’interno; la tipologia di macchina, specificandone il funzionamento, tra un semplice ON/OFF (senza inverter) e un funzionamento modulante (pompa con inverter, nella quale la potenza viene modulata); la modalità, che può essere parallela o alternata, le prestazioni di una pompa di calore elettrica dipendono da tre fattori: 

1. i livelli operativi di temperatura delle sorgenti fredda e calda;       
2. il fattore di carico della macchina;
3. la configurazione impiantistica scelta (aria/aria, aria/acqua, etc).

Funzionamento in riscaldamento

In climatizzazione invernale, la prestazione della macchina si esprime in termini di COP (Coefficient of Performance). Il coefficiente relativo al compressore e ai mezzi ausiliari COP, definito dalla norma EN 255, è dato dal rapporto fra il calore (potenza termica) ceduto al fluido caldo (Qc = Q1) e l’energia (potenza) elettrica richiesta sia dal compressore (Wel,compr), sia dai mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore (Wel,aux), ovvero dai dispositivi antigelo, apparecchiature di regolazione e controllo, circolatori, ventilatori (W = L):

L’efficienza di una pompa di calore è tanto più elevata quanto più è grande il suo COP. In pratica, se il COP è alto, vuol dire che, utilizzando un modesto quantitativo di energia elettrica, è possibile riversare nell'ambiente da riscaldare una grande quantità di calore.

Nell’ambito della climatizzazione, le prestazioni delle pompe di calore sono riferite a ben determinate condizioni di prova, dette condizioni di riferimento. In tali condizioni si possono utilizzare nella definizione del coefficiente di prestazione indifferentemente l’energia e la potenza.

Le temperature

La resa in riscaldamento e il coefficiente di prestazione delle unità, in riferimento a condizioni di funzionamento ben precise, sono riportati nei cataloghi commerciali che forniscono le prestazioni in funzione delle temperature puntuali del pozzo caldo e freddo, mentre gli impianti lavorano in differenti condizioni, soprattutto lato aria esterna, in quanto cambiano le condizioni relative alle temperature esterne.

 Perciò avere un solo punto di temperatura esterna comporta una valutazione approssimata delle prestazioni della macchina. È quindi importante stabilire quali sono le rese nelle effettive condizioni di impiego e questi dati sono riportati nei cataloghi tecnici, che consentono di calcolare il COP e l’EER alle diverse temperature di pozzo caldo e pozzo freddo.

Dato che i software richiedono le temperature inferiori limite e le temperature massime di funzionamento, sono molto importanti anche i campi di funzionamento delle temperature reperibili nelle schede tecniche. In questi diagrammi occorre fare attenzione che le temperature siano al bulbo secco o al bulbo umido, in raffrescamento e riscaldamento rispettivamente. 

Il fattore di carico

Le prestazioni delle pompe di calore dipendono anche dal fattore di carico CR (Capacity Ratio), definito come il rapporto tra la potenza termica richiesta dall’impianto e la massima potenza termica che la macchina può erogare. Nel caso di pompe di calore on/off, la macchina è costretta a ricorrere a cicli di accensione e spegnimento, che ne riducono l’efficienza: infatti nei periodi di off continuano a essere presenti consumi legati al riscaldatore olio (carter), al sistema di controllo, alle pompe e ad altri usi parassiti.

Per ridurre l’eccessivo ricorso a cicli di accensione e spegnimento, si può ad esempio aumentare l’inerzia termica dell’impianto con degli accumuli tattici e/o dotare la macchina di più compressori, di compressori pluristadio (gradini) o di compressori a velocità variabile (inverter). È possibile rendersi facilmente conto del degrado delle prestazioni che il CR causa sul COP osservando l’andamento delle curve CR-COP, con CR in ascissa e COP in ordinata.

Quando il compressore lavora a velocità ridotta si osserva un ulteriore vantaggio: con il carico parzializzato gli scambiatori di calore risultano sovradimensionati in rapporto alla potenza termica scambiata, riducendo la differenza di temperatura tra evaporazione e condensazione a beneficio dell’efficienza complessiva della macchina. Dalle schede tecniche di alcune macchine aria-acqua con inverter si evince che al diminuire della percentuale impegnata della potenza del compressore, migliora il COP. 

Questo articolo è stato pubblicato originariamente sul numero 89 della rivista Casa&Clima. Clicca qui per abbonarti.

La temperatura bivalente

Gli impianti alimentati da pompa di calore possono essere:

• monovalenti, quando tutto il fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore;
• bivalenti monoenergetici, quando una quota del fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore e una quota di integrazione è fornita da un generatore ausiliario che utilizza lo stesso vettore energetico della pompa di calore;
• bivalenti e bienergetici, quando il fabbisogno termico stagionale è coperto dalla pompa di calore e da un generatore ausiliario che utilizza un vettore energetico diverso da quello utilizzato dalla pompa di calore (sistema ibrido classico con pompa di calore e caldaia a condensazione, vedi Superbonus).

In un sistema bivalente a pompa di calore la temperatura bivalente θ_bival viene definita come la temperatura della sorgente fredda alla quale la pompa di calore funziona con fattore di carico CR =1, cioè quando le condizioni termiche della sorgente fredda consentono di coprire la richiesta esclusivamente con la pompa di calore. È un dato fornito dal costruttore della pompa di calore.